UPThèses

Bien qu’un consensus sur les conséquences du balancement des bras dans la marche humaine semble s’établir, ce n’est pas encore le cas pour ses causes. Ceci est principalement dû à la difficulté de dissocier les parties passives et actives de la génération du balancement des bras, notamment liée à la complexité de l’identification des paramètres nécessaires à la modélisation du corps humain. L’hypothèse que l’étude de la bipédie d’un robot humanoïde, plus simple, pourrait apporter des éléments de réponse à la problématique est le point de départ de cette thèse. Par ailleurs, une optimisation dimensionnelle des bras des robots humanoïdes permettrait d’améliorer la performance dynamique de leur marche et constituerait une aide à la conception. La conduite de ces deux études nécessite de disposer d’un modèle de dynamique directe et inverse permettant la modification à la volée des paramètres inertiels et géométriques afin de pouvoir qualifier leurs impacts. Compte tenu de son utilisation dans les contextes d’identification et d’optimisation, l’évaluation d’un tel modèle doit être la plus rapide possible pour considérer de grands nombres de configurations dans des temps de simulation raisonnables et ainsi pouvoir accorder de la confiance aux valeurs obtenues. Un algorithme de génération de modèles dynamiques symboliques pour les structures polyarticulées ouvertes répondant à ces exigences a donc été écrit et testé sur plusieurs exemples dont deux sont présentés dans cette thèse : • La figure du passement filé effectuée par une gymnaste à la barre, dont la réalisation est très sensible à la finesse du modèle et à la précision des calculs, afin d’évaluer la fidélité du modèle en comparaison à une référence mesurée optoélectroniquement. • La marche du robot humanoïde ORHRO, équipé en simulation de bras aux paramètres modifiables, afin d’étudier le balancement des bras généré passivement par le déplacement de la partie locomotrice ainsi que l’impact de ce balancement sur des critères de stabilité et de déterminer les valeurs optimales des paramètres de conception. Cet algorithme de modélisation dynamique d’arborescence a montré son efficacité à modéliser et simuler des mouvements dynamiques sur des architectures complexes et variées permettant son utilisation dans la synthèse de mouvement et l’optimisation dimensionnelle de mécanismes.

Le tir à l’arc olympique est une discipline où la performance dépend d’une multitude de paramètres comprenant le matériel, l’archer et l’environnement. Outre l’influence des conditions extérieures qu’un archer peut juste minimiser, la maîtrise de l’équipement et du geste lui permet d’être précis et répétable, deux qualités indispensables à haut niveau. Le travail réalisé s’articule donc autour du matériel composé d’un arc et de flèches, qui une fois caractérisés, sera suivi par une étude biomécanique sur des archers entraînés. Pour commencer, les propriétés mécaniques des branches d’arc utilisées par des archers membres du Pôle France de tir à l’arc sont mesurées à l’aide d’un banc d’essai afin d’identifier celles qui sont les plus efficientes et permettent d’emmagasiner le plus d’énergie potentielle. Ensuite, un deuxième banc de mesure permet la caractérisation des tubes de flèches, qui une fois montées sont tirées à l’aide d’une machine de tir, s’affranchissant ainsi de la variabilité liée à l’humain. L’influence de chacune de propriétés mécaniques des futs sur leur position finale en cible à la distance olympique de 70 mètres a pu alors être étudiée, conduisant à l’amélioration du processus de sélection des futs pour le compte des archers de l’équipe de France. Enfin, sachant que le lâcher de la corde est une perturbation volontaire de l’équilibre postural établi par les archers pendant la phase de visée, une étude a porté sur le lien entre la performance et les ajustements posturaux anticipés au tir à l’arc. L’existence de tels ajustements a pu être observé aussi bien chez des archers experts membres de l’équipe de France olympique, que chez des archers plus jeunes pensionnaires du Pôle France Relève de Bordeaux, avec des différences néanmoins sur leur instant de déclenchement, témoins de deux stratégies temporelles distinctes. Cette thèse CIFRE réalisée en lien étroit avec la Fédération Française de tir à l’arc vise alors l’amélioration de la performance des archers élites, en optimisant la sélection de leur matériel, puis à mettre en exergue un mécanisme de contrôle postural précédant le lâcher de corde qui pourrait y contribuer.

La performance sportive de haut niveau est le résultat de multiples intéractions au sein d’un système complexe dans lequel intéragissent un grand nombre de variables : techniques, materiels, stratégies… Bien que la recherche des déterminants de la performance en cyclisme soit un sujet largement étudié, certaines disciplines spécifiques – tel le BMX – sont encore peu abordées. L’objectif de cette thèse a été d’étudier les déterminants (bio)mécaniques de la performance lors d’un départ en BMX race. Bien que le mouvement de pédalage soit largement étudié, la majorité des expérimentations est réalisée en laboratoire, dans des conditions parfois éloignées de la réalité de la pratique. Une méthodologie d’analyse in-situ a été développée afin de tenir compte des spécificités de cette discipline, notamment le départ arrêté contre une grille s’effectuant sur un plan incliné. Deux études, conduites sur une cohorte de 8 pilotes élite, ont permis de caractériser la technique de pédalage, elles ont notamment mis en avant la plus-value d’une analyse tridimensionnelle. En effet, l’indice d’efficacité, lorsqu’il tient compte de la composante médio-latérale, permet de mieux rendre compte du lien entre technique individuelle de pédalage et performance (Etude 1). Les résultats axés sur la technique gestuelle des pilotes ont mis en avant d’importants moments d’abduction aux articulations du genou et de la hanche (Etude 2). Une analyse des séries temporelles combinant cartographie statistique paramétrique (SPM) et algorithme de classification automatique (clustering) a permis de révéler deux sous-groupes de pilotes et là encore d’éclairer les liens entre technique et performance. Le point d’orgue de ces deux études réside dans la mise au point d’une fiche de suivi des pilotes à destination des entraineurs, laquelle fait état de la fertilisation croisée de la collaboration entre l’expertise accrue des entraineurs et les connaissances scientifiques issues de ces deux études. Enfin, le dernier chapitre initie une approche de simulation directe par contrôle optimal. Il comprend notamment le développement d’un modèle de roue spécifique.

L'objectif de ce travail est d'identifier les paramètres inertiels segmentaires humains, c’est-à-dire la masse, la position du centre de masse et la matrice d’inertie de ces segments. Ces paramètres, au nombre de dix par segment, constituent une donnée d'entrée indispensable aux calculs de dynamique inverse utilisés dans les études de biomécanique. Bien qu'il existe des méthodes pour avoir accès à ces paramètres par le biais de tables anthropométriques ou le calcul des volumes segmentaires, l'identification apparaît nécessaire dès lors que les sujets étudiés sont atypiques (handicapés physiques, femmes enceintes, sportifs présentant des hypertrophies musculaires). L'originalité de ce travail est de proposer une approche mixte dans l'écriture du problème d'identification combinant une formulation vectorielle et matricielle des équations du mouvement d’un système poly-articulé supposé rigide, qui ont déjà été établies au sein de l'équipe dans les travaux de thèse de Tony Monnet. La première permet d’identifier les masses et les centres de masse segmentaires. La deuxième permet d’identifier, elle, les matrices d’inertie segmentaires. Les paramètres d’entrée de cette méthode d’identification sont les matrices rotations segmentaires, leurs dérivées secondes, les accélérations segmentaires, ainsi que le torseur externe. Si ce dernier est directement mesuré par une plateforme de force, les autres grandeurs sont obtenues après des opérations sur la mesure de la cinématique segmentaire du sujet obtenue par un système opto-électronique. Ce système mesurant la cinématique du sujet grâce à des marqueurs cutanés, cette cinématique diffère de la cinématique théorique obtenue si les segments sont rigides, du fait des mouvements des masses molles. Ce travail a donc porté sur le calcul d’une matrice rotation optimale, basée sur une transformation matérielle décrivant le mouvement segmentaire. De plus les mouvements des masses molles ainsi que les instruments de mesure induisent un bruit dans les signaux cinématiques. Du fait de la double dérivation de ces signaux pour le calcul des accélérations segmentaires et des dérivées secondes des matrices rotations, ce bruit devient prépondérant sur le signal porteur. Ce travail a donc également porté sur le filtrage à effectuer pour atténuer ces bruits. Cinq filtres utilisés dans la littérature (filtre de Butterworth, lissage de Savitsky-Golay, moyenne glissante, lissage par spline et analyse spectrale) ont été implémentés et leurs effets sur les paramètres inertiels identifiés ont été comparés. Les résultats montrent que les paramètres identifiés avec la méthode vectorielle ne nécessitent pas de traitement. L’identification des matrices d’inertie nécessite, elle, un traitement et le lissage optimal est obtenu avec le moyenne glissante. Enfin, une modélisation du membre supérieur par une chaîne cinématique a également été implémentée afin de rigidifier la cinématique acquise. Les premiers résultats ne sont pas satisfaisants mais le modèle retenu peut être affiné avant de conclure sur l’intérêt de cette modélisation pour l’identification des paramètres inertiels. Finalement, l’approche mixte développée permet l'identification des dix paramètres inertiels des segments du corps humain. La méthode a été validée en identifiant les paramètres inertiels des segments constituant le membre supérieur de dix huit sujets. Les paramètres obtenus ont ensuite été comparés à ceux issus d’une table anthropométrique. Les résultats montrent que les paramètres identifiés sont très proches de ceux estimés. Cela montre donc que l’identification des paramètres inertiels est fiable et permet d’avoir accès aux paramètres inertiels de sujets atypiques, pour qui les tables anthropométriques ne sont pas disponibles.

Face aux limites auxquelles doivent faire face les systèmes optoélectroniques (matériel lourd, champ de mesure limité), les capteurs inertiels constituent une alternative prometteuse pour la mesure du mouvement humain. Grâce aux dernières avancées techniques, notamment en termes de miniaturisation des capteurs, leur utilisation en ambulatoire c’est-à-dire de façon autonome et embarquée est devenue possible. Mais ces opérations de miniaturisation ne sont pas sans effet sur les performances de ces capteurs. En effet, une telle mesure est dégradée par différents types de perturbations (stochastiques et déterministes) qui sont alors propagées au cours du processus dit de fusion des données visant à estimer l'orientation des segments humains. Classiquement, cette opération est réalisée à l'aide d'un filtre de Kalman dont le rôle est justement d'estimer une grandeur à partir d'une mesure bruitée en la confrontant à un modèle d'évolution. Dans ce contexte, nous proposons diverses méthodologies dans le but d'accéder à une mesure suffisamment précise pour être exploitée dans le cadre de l'analyse du mouvement humain. La première partie de cette thèse se focalise sur les capteurs. Tout d'abord, nous étudions les bruits de mesure issus des capteurs inertiels, puis nous leur attribuons un modèle afin de les prendre en compte au sein du filtre de Kalman. Ensuite, nous analysons les procédures de calibrage et évaluons leurs effets réels sur la mesure afin d'émettre quelques propositions en termes de compromis performance/facilité de réalisation. Dans une seconde partie, nous nous consacrons à l'algorithme de fusion des données. Après avoir proposé un filtre de Kalman adapté à la mesure du mouvement humain, nous nous focalisons sur un problème récurrent à ce stade : l'identification des matrices de covariance dont le rôle est d'attribuer une caractérisation globale aux erreurs de mesure. Cette méthode, basée sur une confrontation de la mesure avec une référence issue d'un système optoélectronique, met en évidence la nécessité de traiter ce problème rigoureusement. Dans une troisième partie, nous commençons à aborder les problèmes liés à l'utilisation des capteurs inertiels pour la mesure du mouvement humain, notamment le calibrage anatomique et le positionnement des capteurs. En conclusion, les gains apportés par les diverses propositions avancées dans cette thèse sont évalués et discutés.